現代科學向世界介紹了許多奇怪的想法，但最奇怪的想法之一肯定是巨大恆星走到生命盡頭的命運。這顆恆星耗盡了維持它數百萬年的燃料，不再能夠承受自身的重量，並開始災難性地坍縮。像太陽這樣的普通恆星也會坍縮，但它們會穩定在較小的尺寸。然而，如果一顆恆星足夠巨大，它的引力將壓倒所有可能阻止坍縮的力量。從數百萬公里的尺寸，恆星會坍縮成比“i”上的點還小的針尖。
大多數物理學家和天文學家認為，結果是一個黑洞，一個引力極強的天體，任何東西都無法從其附近逃脫。黑洞有兩個部分。它的核心是一個奇點，所有恆星物質都被壓碎成無限小的點。圍繞奇點的是空間區域，從中無法逃脫，其周邊稱為事件視界。一旦某物進入事件視界，它就失去了所有逃脫的希望。墜落的物體發出的任何光也被困住，因此外部觀察者永遠不會再看到它。它最終會撞向奇點。
但這幅圖景真的真實嗎？已知的物理定律清楚地表明奇點會形成，但它們對事件視界卻含糊不清。大多數物理學家都在假設事件視界必然會形成的情況下運作，僅僅是因為事件視界作為科學的遮羞布非常吸引人。物理學家尚未弄清楚奇點處究竟發生了什麼：物質被壓碎，但之後會變成什麼？事件視界透過隱藏奇點，隔離了我們知識中的這個空白。科學未知的各種過程可能發生在奇點處，但它們對外部世界沒有影響。繪製行星和恆星軌道的天文學家可以安全地忽略奇點引入的不確定性，並充滿信心地應用標準的物理定律。無論黑洞中發生什麼，都留在黑洞中。
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然而，越來越多的研究對這一工作假設提出了質疑。研究人員發現了各種各樣的恆星坍縮情景，其中事件視界實際上並沒有形成，因此奇點仍然暴露在我們的視野中。物理學家稱之為裸奇點。物質和輻射都可以落入和逸出。進入黑洞內部的奇點將是單程旅行，而原則上你可以儘可能接近裸奇點，然後返回講述故事。
如果裸奇點存在，其影響將是巨大的，並將觸及天體物理學和基礎物理學的幾乎每個方面。缺乏視界可能意味著發生在奇點附近的神秘過程將影響外部世界。裸奇點可能解釋天文學家已經看到的無法解釋的高能現象，它們可能提供一個實驗室來探索時空結構的最精細尺度。
事件視界本應是黑洞的簡單部分。奇點顯然是神秘的。它們是引力強度變得無限大，已知物理定律失效的地方。根據物理學家目前對引力的理解，概括在愛因斯坦的廣義相對論中，奇點不可避免地會在巨星坍縮期間出現。廣義相對論沒有考慮到對微觀物體變得重要的量子效應，這些效應大概會介入以防止引力強度變得真正無限大。但物理學家仍在努力發展他們需要的量子引力理論來解釋奇點。
相比之下，奇點周圍的時空區域發生的事情似乎應該相當簡單明瞭。恆星事件視界的尺寸為數公里，遠大於量子效應的典型尺度。假設沒有新的自然力介入，視界應該完全由廣義相對論支配，該理論基於充分理解的原理，並通過了90年的觀測測試。
也就是說，將該理論應用於恆星坍縮仍然是一項艱鉅的任務。愛因斯坦的引力方程眾所周知地複雜，求解它們需要物理學家做出簡化的假設。美國物理學家 J. Robert Oppenheimer 和 Hartland S. Snyder 以及印度物理學家 B. Datt 在 1930 年代後期獨立進行了初步嘗試。為了簡化方程，他們只考慮了完美的球形恆星，假設恆星由密度均勻（均勻）的氣體組成，並忽略了氣體壓力。他們發現，隨著這種理想化的恆星坍縮，其表面的引力增強，最終變得足夠強大，足以捕獲所有光和物質，從而形成事件視界。恆星對外面的觀察者變得不可見，並在不久之後完全坍縮成一個奇點。
當然，真實的恆星更為複雜。它們的密度是不均勻的，其中的氣體施加壓力，並且它們可以呈現其他形狀。是否每個足夠巨大的坍縮恆星都會變成黑洞？1969 年，牛津大學物理學家羅傑·彭羅斯提出答案是肯定的。他推測，恆星坍縮期間奇點的形成必然伴隨著事件視界的形成。因此，自然界禁止我們永遠看到奇點，因為視界總是會遮蔽它。彭羅斯的猜想被稱為宇宙審查假說。這只是一個猜想，但它支撐著現代黑洞研究。物理學家希望我們能夠用我們用來證明奇點必然性的相同的數學嚴謹性來證明它。
但這並沒有發生。我們沒有提出適用於所有條件的直接審查證明，而是不得不踏上更長的路線，逐個分析引力坍縮的案例研究，逐步用最初的努力所缺乏的特徵來修飾我們的理論模型。1973 年，德國物理學家漢斯·于爾根·塞弗特和他的同事考慮了不均勻性。有趣的是，他們發現下落物質的層可以相交，從而產生沒有被視界覆蓋的瞬時奇點。但是奇點有多種型別，而這些奇點相當良性。雖然一個位置的密度變得無限大，但引力強度並沒有，因此奇點沒有將物質和墜落物體壓碎成無限小的針尖。因此，廣義相對論從未失效，物質繼續穿過這個位置，而不是走向終結。
1979 年，加州大學聖巴巴拉分校的道格拉斯·M·厄德利和伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校的拉里·斯馬爾更進一步，對具有真實密度分佈的恆星進行了數值模擬：中心密度最高，並向表面緩慢降低。蘇黎世瑞士聯邦理工學院的德米特里奧斯·克里斯托多盧隨後在 1984 年對相同情況進行了精確的紙筆處理。兩項研究都發現，恆星縮小到零尺寸，併產生了一個裸奇點。但該模型仍然忽略了壓力，當時在英國約克大學的理查德·P.A.C.·紐曼表明，該奇點再次在引力上較弱。
受這些發現的啟發，包括我在內的許多研究人員試圖制定一個嚴格的定理，即裸奇點總是會很弱。我們沒有成功。原因很快變得清楚：裸奇點並不總是弱的。我們發現了導致奇點的非均勻坍縮情景，在這些情景中，引力很強——也就是說，真正的奇點可以將物質碾壓成虛無，但仍然對外部觀察者可見。1993 年，當時在阿格拉大學的 Indresh Dwivedi 和我開發的對沒有氣體壓力的恆星坍縮的一般分析，澄清並解決了這些要點。
在 1990 年代初期，物理學家考慮了氣體壓力的影響。以色列理工學院的阿莫斯·奧裡和耶路撒冷希伯來大學的茨維·皮蘭進行了數值模擬，我的團隊精確地解出了相關方程。密度和壓力之間存在完全真實關係的恆星可能會坍縮成裸奇點。大約在同一時間，由米蘭理工大學的朱利奧·馬格里和大阪市立大學的仲尾健一領導的團隊考慮了一種由坍縮恆星內粒子的旋轉產生的壓力形式。他們也表明，在各種各樣的情況下，坍縮最終還是會變成裸奇點。
這些研究分析了完美的球形恆星，這並不像看起來那麼嚴重的限制，因為自然界中的大多數恆星都非常接近這種形狀。此外，與其他形狀的恆星相比，球形恆星在視界形成方面具有更有利的條件，因此如果宇宙審查即使對它們也失敗了，其前景看起來也令人懷疑。也就是說，物理學家一直在探索非球形坍縮。1991 年，伊利諾伊大學的斯圖爾特·L·夏皮羅和康奈爾大學的索爾·A·託科爾斯基提出了數值模擬，其中橢圓形恆星可能會坍縮成裸奇點。幾年後，波蘭科學院的安傑伊·克拉拉克和我研究了非球形坍縮，也發現了裸奇點。可以肯定的是，這兩項研究都忽略了氣體壓力。
懷疑論者想知道這些情況是否是人為捏造的。對恆星的初始配置稍作更改是否會導致事件視界突然覆蓋奇點？如果是這樣，那麼裸奇點可能是計算中使用的近似值的人為產物，並且不會真正在自然界中出現。一些涉及不尋常物質形式的情景確實非常敏感。但我們迄今為止的結果也表明，大多數裸奇點對於初始設定的小變化是穩定的。因此，這些情況似乎是物理學家所說的通用的——也就是說，它們不是人為捏造的。
這些對彭羅斯猜想的反例表明，宇宙審查並非普遍規律。物理學家不能說，“任何巨大恆星的坍縮都只會形成黑洞”，或者“任何物理上真實的坍縮都以黑洞結束”。一些情景導致黑洞，另一些情景導致裸奇點。在一些模型中，奇點僅暫時可見，事件視界最終形成以遮蔽它。在另一些模型中，奇點永遠保持可見。通常，裸奇點在坍縮的幾何中心發展，但並非總是如此，即使它確實如此，它也可能擴散到其他區域。裸露也有程度之分：事件視界可能會將奇點隱藏在遙遠觀察者的窺探目光之外，而穿過事件視界的觀察者可能會在撞擊奇點之前看到奇點。結果的多樣性令人眼花繚亂。
我的同事和我已經分離出這些情景的各種特徵，這些特徵導致事件視界出現或不出現。特別是，我們研究了不均勻性和氣體壓力的作用。根據愛因斯坦的理論，引力是一種複雜的現象，不僅涉及吸引力，還涉及諸如剪下之類的效應，在剪下中，不同層級的物質在橫向相反的方向上移動。如果坍縮恆星的密度非常高——高到按理說應該捕獲光線，但也是不均勻的，那麼其他效應可能會創造逃逸路線。例如，靠近奇點的物質剪下可能會引發強大的衝擊波，從而噴射出物質和光線——本質上是一場引力颱風，擾亂了事件視界的形成。
具體來說，考慮一顆均勻的恆星，忽略氣體壓力。（壓力會改變細節，但不會改變發生情況的總體輪廓。）隨著恆星坍縮，引力強度增加，並更加嚴重地彎曲運動物體的路徑。光線也會被彎曲，並且在某個時候，彎曲變得如此嚴重，以至於光線不再能夠從恆星傳播出去。光線被捕獲的區域開始時很小，然後增大，最終達到與恆星質量成比例的穩定尺寸。與此同時，由於恆星的密度在空間中是均勻的，並且僅隨時間變化，因此整個恆星同時被壓碎成一個點。光線的捕獲發生在遠早於這一時刻，因此奇點仍然被隱藏。
現在考慮相同的情況，只不過密度隨著與中心距離的增加而降低。實際上，恆星具有物質同心殼的洋蔥狀結構。作用在每個殼上的引力強度取決於該殼內部物質的平均密度。由於密度較高的內殼感受到更強的引力拉力，因此它們比外殼坍縮得更快。整個恆星不會同時坍縮成奇點。最內層的殼首先坍縮，然後外殼逐個堆積起來。
由此產生的延遲可能會推遲事件視界的形成。如果視界可以在任何地方形成，它將在密度較高的內殼中形成。但是，如果密度隨距離降低得太快，這些殼可能無法構成足夠的質量來捕獲光線。奇點在形成時將是裸露的。因此，存在一個閾值：如果不均勻性的程度非常小，低於臨界極限，則會形成黑洞；如果具有足夠的不均勻性，則會產生裸奇點。
在其他情景中，突出的問題是坍縮的速率。這種效應在恆星氣體已完全轉化為輻射的模型中非常清楚地體現出來，實際上，恆星變成了一個巨大的火球——印度物理學家 P. C. Vaidya 在 1940 年代首次在模擬輻射恆星的背景下考慮了這種情況。同樣存在一個閾值：緩慢坍縮的火球變成黑洞，但如果火球坍縮得足夠快，光線就不會被捕獲，奇點就是裸露的。
物理學家花了這麼長時間才接受裸奇點的可能性，其中一個原因是它們提出了許多概念上的難題。一個普遍引用的擔憂是，這種奇點會使自然界變得本質上不可預測。由於廣義相對論在奇點處失效，因此它無法預測這些奇點會做什麼。匹茲堡大學的約翰·厄曼令人難忘地暗示，綠色的粘液和丟失的襪子可能會從它們中冒出來。它們是魔法之地，科學在那裡失效。
只要奇點安全地隱藏在事件視界內，這種隨機性就會受到控制，廣義相對論至少在視界之外是一個完全可預測的理論。但是，如果奇點可以是裸露的，那麼它們的不可預測性將感染宇宙的其餘部分。例如，當物理學家將廣義相對論應用於地球繞太陽的軌道時，他們實際上必須考慮到宇宙中某個地方的奇點可能會發出隨機引力脈衝並使我們的星球飛向深空的可能性。
然而，這種擔憂是錯位的。不可預測性實際上在廣義相對論中很常見，並且並非總是直接與違反審查制度有關。該理論允許時間旅行，這可能會產生具有不可預見結果的因果迴圈，甚至普通的黑洞也可能變得不可預測。例如，如果我們向不帶電的黑洞中投入電荷，黑洞周圍時空的形狀會發生根本性的變化，並且不再可預測。當黑洞旋轉時，情況也類似。具體來說，發生的情況是時空不再整齊地分隔成空間和時間，因此物理學家無法考慮黑洞如何從某個初始時間演化到未來。只有最純粹的純黑洞，完全沒有電荷或旋轉，才是完全可預測的。
不可預測性的喪失以及黑洞的其他問題實際上源於奇點的出現；它們是否被隱藏並不重要。解決這些問題的方法可能在於量子引力理論，該理論將超越廣義相對論，並對奇點給出完整的解釋。在該理論中，每個奇點都將被證明具有高但有限的密度。裸奇點將是“量子星”，一種受量子引力規則支配的超高密度天體。看似隨機的事物將有一個合乎邏輯的解釋。
另一種可能性是，奇點可能真的具有無限的密度——它們不是要用量子引力來解釋掉的東西，而是要按原樣接受的東西。廣義相對論在這樣一個位置的失效可能不是理論本身的失敗，而是空間和時間有邊緣的跡象。奇點標誌著物理世界結束的地方。我們應該將其視為事件而不是物體，即坍縮物質到達邊緣並停止存在的那一刻，就像大爆炸的反向過程。
在那種情況下，諸如裸奇點會冒出什麼之類的問題實際上沒有意義；沒有什麼可以冒出來的，因為奇點只是時間中的一瞬間。我們從遠處看到的不是奇點本身，而是發生在接近此事件的極端物質條件下的過程，例如超高密度介質中不均勻性引起的衝擊波或其附近的量子引力效應。
除了不可預測性之外，第二個問題困擾著許多物理學家。在暫時假設審查猜想成立的情況下，他們在過去幾十年中花費了大量時間來制定黑洞應該遵守的各種定律，並且這些定律具有深刻真理的光環。但是這些定律並非沒有主要的悖論。例如，它們認為黑洞吞噬並摧毀資訊，這似乎與量子理論的基本原理相矛盾[參見倫納德·蘇斯金德的“黑洞和資訊悖論”；《大眾科學》，1997 年 4 月]。這個悖論和其他困境源於事件視界的存在。如果視界消失，這些問題可能也會消失。例如，如果恆星可以在坍縮的後期階段輻射掉大部分質量，它將不會摧毀任何資訊，也不會留下任何奇點。在那種情況下，不需要量子引力理論來解釋奇點；廣義相對論本身就可以做到。
物理學家們遠非將裸奇點視為問題，而是可以將它們視為一種資產。如果在大質量恆星引力坍縮中形成的奇點對外部觀察者可見，它們可以提供一個研究量子引力效應的實驗室。正在制定的量子引力理論，例如弦理論和圈量子引力，非常需要某種觀測輸入，如果沒有這種輸入，幾乎不可能限制大量的可能性。物理學家通常在早期宇宙中尋找這種輸入，當時條件非常極端，量子引力效應占主導地位。但是大爆炸是一個獨特的事件。如果奇點可以是裸露的，它們將使天文學家能夠觀察到每次宇宙中一顆大質量恆星結束其生命時都發生的大爆炸的等效事件。
為了探索裸奇點如何提供對原本無法觀測到的現象的瞥見，我們最近模擬了恆星如何坍縮成裸奇點，同時考慮了圈量子引力預測的效應。根據該理論，空間由微小的原子組成，當物質變得足夠稠密時，這些原子變得引人注目；結果是一種極其強大的排斥力，可以防止密度變得無限大[參見馬丁·博約瓦爾德的“追隨反彈宇宙”；《大眾科學》，2008 年 10 月]。在我們的模型中，這種排斥力分散了恆星並消除了奇點。恆星近四分之一的質量在最後幾分之一微秒內被噴射出來。就在它這樣做之前，遙遠的觀察者會看到來自坍縮恆星的輻射強度突然下降——這是量子引力效應的直接結果。
爆炸會釋放出高能伽馬射線、宇宙射線和其他粒子，例如中微子。即將進行的實驗，例如極端宇宙空間天文臺（國際空間站的一個模組，預計於 2013 年投入執行），可能具有看到這種發射所需的靈敏度。由於噴發的細節取決於量子引力理論的具體情況，因此觀測將提供一種區分理論的方法。
證明或證偽宇宙審查都將在物理學內部引發一場小小的爆炸，因為裸奇點觸及了當前理論的許多深刻方面。迄今為止，從理論工作中明確得出的是，審查制度並非以無條件的形式存在，正如有時認為的那樣。奇點只有在條件合適時才會被遮蔽。問題仍然是這些條件是否會在自然界中出現。如果它們可以，那麼物理學家肯定會愛上他們曾經害怕的東西。
注意：本文最初以標題“裸奇點”印刷。